Development of high-power tactile display for presenting tactile sensation and directional navigation using shape memory alloy thick film

利用形状记忆合金厚膜开发用于呈现触觉和定向导航的高功率触觉显示器

• 批准号: 21K14134
• 负责人: 徐 嘉楽
• 金额: $ 2.25万
• 依托单位: Wakayama National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14134/
• 关键词: 触覚ディスプレイ; バイアスばね; 形状記憶合金; PDMS; 触感; MEMS; 厚膜形成

本研究では点字や触感などの触覚情報を人間の指先に個人差なく提示することを目指し、人工的な振動刺激を提示する高出力の触覚ディスプレイの開発に取り組んでいる。本年度はバイアスばねをSMA素子と組み合わせた場合に出力される振幅の倍増を目指し、最適なバイアスばねの剛性を得るため、膜厚を変えたPDMSバイアスばねを作製し、剛性評価を行なった。変位を300 μm程度まで与えても破断等が発生しなかったが、膜厚が80～200 μmでは負荷および除荷との間で大きなヒステリシスが生じることがわかった。膜厚10～30 μmの場合ではヒステリシスが小さい良好なバイアスばねの特性を得ることができた。SMAアクチュエータと組み合わせた場合に見込まれる発生力は約5 mN程度であり、変位は40～50 μm程度であることがわかり、人間の皮膚に十分な刺激を提示できる見通しを得た。キャップ層、フレーム層およびバイアスばね層の形成プロセスの簡易化に取り組んだ。フォトリソグラフィおよびウエットエッチングにより、Cuキャップ層およびフレーム層を精度良く形成することができ、キャップ層およびフレーム層を接合し、段付き構造を形成することができた。PDMSバイアスばね上に感光性レジストのピン層を形成し、下部のCuフレーム層と良好に接合することができたが、PDMSバイアスばね上部のピン層、キャップ層およびフレーム層とPDMSバイアスばねとのアライメントや接合手法を確立していくことが今後の課題であることが分かった。

在这项研究中，我们正在开发一种呈现人工振动刺激的高输出触觉显示器，目的是向人类指尖呈现盲文和触觉等触觉信息，而没有个体差异。今年，我们的目标是将偏置弹簧与 SMA 元件组合时的输出振幅加倍，为了获得最佳的偏置弹簧刚度，我们制造了不同薄膜厚度的 PDMS 偏置弹簧并评估了其刚度。即使施加约300μm的位移也没有发生破损，但发现当膜厚为80～200μm时，在加载和卸载之间出现大的滞后。当膜厚为10～30μm时，可以获得良好且滞后小的偏置弹簧特性。当与SMA执行器结合时，预期产生的力约为5 mN，位移约为40至50 μm，表明有望为人体皮肤提供足够的刺激。我们致力于简化盖层、框架层和偏置弹簧层的形成过程。通过光刻和湿法刻蚀，我们能够高精度地形成Cu盖层和框架层，并且能够将盖层和框架层键合形成阶梯结构。在PDMS偏置弹簧上形成了光敏抗蚀剂的钉扎层，并成功地粘合到下部铜框架层上。人们发现，未来的挑战是建立对准和粘合方法。

项目成果

Characterization of the cooling-fluid-filled SMA thick actuator array for high power tactile display

用于高功率触觉显示器的冷却液填充 SMA 厚致动器阵列的表征

• 发表时间: 2021
• 作者: Jiale Xu;Yusuke Kimura;Kazuki Tuji;Akira Maruyama;Ryo Saito;Takashi Mineta
• 通讯作者: Takashi Mineta

Characterization of the cooling-fluid-filled arrayed SMA thick film actuator for high power tactile display

用于高功率触觉显示器的冷却液填充阵列 SMA 厚膜致动器的表征

• 发表时间: 2022
• 作者: Jiale Xu;Yusuke Kimura;Kazuki Tuji;Akira Maruyama;Ryo Saito;Takashi Mineta
• 通讯作者: Takashi Mineta

Fabrication of Tactile Display Mechanism Using Arrayed SMA Thick Film Actuator and Si TSV Layer with Individually Connecting Diode

使用阵列 SMA 厚膜致动器和带有单独连接二极管的 Si TSV 层制造触觉显示机制

• DOI: 10.1541/ieejsmas.141.260
• 发表时间: 2021
• 期刊: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines
• 作者: R. Saito;Y. Kimura;J. Xu;T. Mineta
• 通讯作者: T. Mineta